Ορισμός πυρηνικών ισομερών και παραδείγματα

Ορισμός πυρηνικού ισομερούς

Τα πυρηνικά ισομερή είναι άτομα με τον ίδιο μαζικό αριθμό και ατομικό αριθμό, αλλά με διαφορετικές καταστάσεις διέγερσης στον ατομικό πυρήνα. Η υψηλότερη ή πιο διεγερμένη κατάσταση ονομάζεται μετασταθερή κατάσταση, ενώ η σταθερή, μη διεγερμένη κατάσταση ονομάζεται θεμελιώδης κατάσταση.

Πώς λειτουργούν

Οι περισσότεροι άνθρωποι γνωρίζουν ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να αλλάξουν τα επίπεδα ενέργειας και να βρίσκονται σε διεγερμένες καταστάσεις. Μια ανάλογη διαδικασία εμφανίζεται στον ατομικό πυρήνα όταν τα πρωτόνια ή τα νετρόνια (τα νουκλεόνια) διεγείρονται. Το διεγερμένο νουκλεόνιο καταλαμβάνει ένα πυρηνικό τροχιακό υψηλότερης ενέργειας. Τις περισσότερες φορές, τα διεγερμένα νουκλεόνια επιστρέφουν αμέσως στη θεμελιώδη κατάσταση, αλλά εάν η διεγερμένη κατάσταση έχει χρόνο ημιζωής μεγαλύτερο από 100 έως 1000 φορές μεγαλύτερο από αυτό των κανονικών διεγερμένων καταστάσεων, θεωρείται μετασταθερή κατάσταση. Με άλλα λόγια, ο χρόνος ημιζωής μιας διεγερμένης κατάστασης είναι συνήθως της τάξης των 10 δευτερολέπτων, ενώ μια μετασταθερή κατάσταση έχει χρόνο ημιζωής 10 δευτερολέπτων ή περισσότερο. Ορισμένες πηγές ορίζουν ότι μια μετασταθερή κατάσταση έχει χρόνο ημιζωής μεγαλύτερο από 5 x 10 δευτερόλεπτα για να αποφευχθεί η σύγχυση με τον χρόνο ημιζωής της εκπομπής γάμμα. Ενώ οι περισσότερες μετασταθερές καταστάσεις αποσυντίθενται γρήγορα, ορισμένες διαρκούν για λεπτά, ώρες, χρόνια ή πολύ περισσότερο.

Ο λόγος Η μορφή μετασταθερών καταστάσεων οφείλεται στο ότι απαιτείται μεγαλύτερη αλλαγή πυρηνικού σπιν προκειμένου να επιστρέψουν στη βασική κατάσταση. Η υψηλή αλλαγή στυψίματος καθιστά τις φθορές «απαγορευμένες μεταβάσεις» και τις καθυστερεί. Ο χρόνος ημιζωής της αποσύνθεσης επηρεάζεται επίσης από το πόση ενέργεια αποσύνθεσης είναι διαθέσιμη.

Τα περισσότερα πυρηνικά ισομερή επιστρέφουν στη βασική κατάσταση μέσω της διάσπασης γάμμα. Μερικές φορές η διάσπαση γάμμα από μια μετασταθερή κατάσταση ονομάζεται ισομερική μετάβαση , αλλά είναι ουσιαστικά το ίδιο με την κανονική βραχύβια διάσπαση γάμμα. Αντίθετα, οι περισσότερες διεγερμένες ατομικές καταστάσεις (ηλεκτρόνια) επιστρέφουν στη θεμελιώδη κατάσταση μέσω φθορισμού.

Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο τα μετασταθερά ισομερή μπορούν να διασπαστούν είναι με εσωτερική μετατροπή. Στην εσωτερική μετατροπή, η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη διάσπαση επιταχύνει ένα εσωτερικό ηλεκτρόνιο, αναγκάζοντάς το να εξέλθει από το άτομο με σημαντική ενέργεια και ταχύτητα. Υπάρχουν άλλοι τρόποι διάσπασης για εξαιρετικά ασταθή πυρηνικά ισομερή.

Σημείωση μετασταθερής και εδαφικής κατάστασης

Η βασική κατάσταση υποδεικνύεται χρησιμοποιώντας το σύμβολο g (όταν χρησιμοποιείται οποιοσδήποτε συμβολισμός). Οι διεγερμένες καταστάσεις σημειώνονται με τα σύμβολα m, n, o, κ.λπ. Η πρώτη μετασταθερή κατάσταση υποδεικνύεται με το γράμμα m. Εάν ένα συγκεκριμένο ισότοπο έχει πολλαπλές μετασταθερές καταστάσεις, τα ισομερή ονομάζονται m1, m2, m3, κ.λπ. Η ονομασία παρατίθεται μετά τον αριθμό μάζας (π.χ. κοβάλτιο 58 m ή ₂₇ Co, άφνιο-178m2 ή ₇₂ Hf).

Το σύμβολο sf μπορεί να προστεθεί για να υποδείξει ισομερή ικανά για αυθόρμητη σχάση. Αυτό το σύμβολο χρησιμοποιείται στον Πυρηνικό χάρτη της Καρλσρούης.

Παραδείγματα μετασταθερής κατάστασης

Ο Otto Hahn ανακάλυψε το πρώτο πυρηνικό ισομερές το 1921. Αυτό ήταν το Pa-234m, το οποίο διασπάται στο Pa-234.

Η μετασταθερή κατάσταση με τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής είναι αυτή του ₇₃ Ta. Αυτή η μετασταθερή κατάσταση του τανταλίου δεν έχει δει να αποσυντίθεται και φαίνεται να διαρκεί τουλάχιστον 10 χρόνια (περισσότερο από την ηλικία του σύμπαντος). Επειδή η μετασταθερή κατάσταση διαρκεί τόσο πολύ, το πυρηνικό ισομερές είναι ουσιαστικά σταθερό. Το ταντάλιο-180m βρίσκεται στη φύση σε αφθονία περίπου 1 ανά 8300 άτομα. Πιστεύεται ότι ίσως το πυρηνικό ισομερές κατασκευάστηκε σε σουπερνόβα.

Πώς κατασκευάζονται

Τα μετασταθερά πυρηνικά ισομερή εμφανίζονται μέσω πυρηνικών αντιδράσεων και μπορούν να παραχθούν χρησιμοποιώντας πυρηνική σύντηξη. Εμφανίζονται τόσο φυσικά όσο και τεχνητά.

Ισομερή σχάσης και ισομερή σχήματος

Ένας συγκεκριμένος τύπος πυρηνικού ισομερούς είναι το ισομερές σχάσης ή ισομερές σχήματος. Τα ισομερή σχάσης υποδεικνύονται χρησιμοποιώντας είτε υστερόγραφο είτε εκθέτη "f" αντί για "m" (π.χ., plutonium-240f ή ₉₄ Pu). Ο όρος "ισομερές σχήματος" αναφέρεται στο σχήμα του ατομικού πυρήνα. Ενώ ο ατομικός πυρήνας τείνει να απεικονίζεται ως σφαίρα, ορισμένοι πυρήνες, όπως εκείνοι των περισσότερων ακτινιδών, είναι πλάγιες σφαίρες (σε σχήμα ποδοσφαίρου). Λόγω των κβαντικών μηχανικών επιδράσεων, η αποδιέγερση των διεγερμένων καταστάσεων στη θεμελιώδη κατάσταση εμποδίζεται, έτσι οι διεγερμένες καταστάσεις τείνουν να υποστούν αυθόρμητη σχάση ή αλλιώς να επιστρέψουν στη θεμελιώδη κατάσταση με χρόνο ημιζωής νανοδευτερόλεπτων ή μικροδευτερόλεπτων. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ενός ισομερούς σχήματος μπορεί να απέχουν ακόμη περισσότερο από μια σφαιρική κατανομή από τα νουκλεόνια στη θεμελιώδη κατάσταση.

Χρήσεις πυρηνικών ισομερών

Τα πυρηνικά ισομερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πηγές γάμμα για ιατρικές διαδικασίες, πυρηνικές μπαταρίες, για έρευνα στην εκπομπή που διεγείρεται από ακτίνες γάμμα και για λέιζερ ακτίνων γάμμα.